Análise estatística do impacto das nanopartículas de FeO3 e ZnO no desempenho físico-químico e dielétrico do monoéster

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 12328 (2023) Citar este artigo

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Este artigo trata de um estudo comparativo das propriedades físico-químicas e elétricas de monoésteres de óleo de mamona em comparação com seus equivalentes baseados em nanopartículas de FeO3 e ZnO. Os resultados também são comparados com os da literatura sobre triésteres, e também com as recomendações da norma IEEE C 57.14. Os dados são analisados ​​estatisticamente usando um teste de ajuste. A análise dos dados de viscosidade a 40°C mostra um aumento na viscosidade. Para concentrações de 0,10% em peso, 0,15% em peso e 0,20% em peso estas são respectivamente 5,4%, 9,69%, 12,9% para NFs de FeO3 e 7,6%, 9,91% e 12,7% para NFs de ZnO. Para as mesmas concentrações, o aumento no índice de acidez é respectivamente de 3,2%, 2,9%, 2,5% para amostras de FeO3 e 3,18%, 2,0%, 1,2% para amostras de ZnO. Para as mesmas concentrações, o ponto de combustão apresenta incremento de 4%, 3% e 2% para amostras de FeO3 e regressão de 8,75%, 6,88% e 5,63% para amostras de ZnO. Quanto à tensão de ruptura, para as mesmas concentrações observamos respectivamente um incremento de 43%, 27%, 34% para o FeO3. Os resultados mostram uma melhoria na tensão de início de descarga parcial com FeO3 de 24%, 8,13% e 15,21% respectivamente para as concentrações 0,10% em peso, 0,15% em peso e 0,20% em peso.

A grande maioria dos transformadores de potência possui isolamento de celulose (papel/papelão comprimido) e óleo. A parte celulósica deste isolamento tem três funções principais. Primeiramente, isola os principais componentes do transformador das diversas tensões, armazenando a carga elétrica quando o transformador está em operação. Isso é chamado de função dielétrica. Também cumpre uma função mecânica porque os enrolamentos repousam sobre ele. A terceira função é contribuir para a manutenção de uma temperatura aceitável, criando dutos através dos quais o calor é transferido para resfriamento. Quanto ao óleo, sua principal função é garantir rigidez dielétrica e resfriamento suficientes para proteger o núcleo e o conjunto, preenchendo as lacunas dos materiais isolantes. Outra de suas funções é minimizar o contato da celulose e de outros materiais com o oxigênio para reduzir o risco de oxidação. Para a parte líquida do isolamento, os óleos minerais são os mais utilizados há mais de um século1. Contudo, a controvérsia sobre o impacto negativo dos óleos minerais no ambiente é hoje em dia um tema quente e levado muito a sério pelos ambientalistas2. Esta luta feroz levou os investigadores a investigar uma solução alternativa para as deficiências dos óleos minerais3. Uma das soluções alternativas propostas para colmatar as deficiências dos óleos minerais é a utilização de óleos vegetais. Nas últimas décadas, investigações permitiram a elaboração de uma ampla gama de dielétricos líquidos a partir de extratos vegetais e sintéticos4. As diversas propostas são geralmente feitas com base na análise das propriedades físico-químicas, térmicas e eléctricas destes líquidos em comparação com as dos óleos minerais. Estes incluem índice de acidez, viscosidade, ponto de inflamação e ponto de combustão, descarga parcial e tensão de ruptura, para citar apenas alguns.

Falando em índice de acidez (IA), é um fator importante na degradação do isolamento de celulose. Contudo, num estudo sobre a compatibilidade dos óleos vegetais como meio isolante para transformadores de potência, Stefan Tenbohlen5 mostra que o AI total nos ésteres naturais é muito superior ao do óleo mineral. Resultado semelhante é relatado no trabalho de Nkouetcha et al.6 que fazem uma análise comparativa desses dados em óleo mineral, éster metílico de óleo de palmiste e éster metílico de óleo de mamona. Este trabalho mostra que, mesmo após um tratamento químico destes óleos, o IA é maior ou igual ao do óleo mineral. No que diz respeito à viscosidade, este é um dos parâmetros mais importantes na área de isolamento de transformadores de potência. A transferência de calor em líquidos está intimamente ligada à viscosidade do líquido. Líquidos com alta viscosidade retardam a transferência de calor e, portanto, promovem o aquecimento dos enrolamentos. Uma proposta de óleos vegetais como alternativa aos óleos minerais deve, portanto, ter em conta a sua viscosidade. Bertrand et al.7 realizaram um estudo experimental sobre as características físico-químicas de três óleos vegetais comparados com aquelas recomendadas pela norma ISO 3104. Os líquidos investigados foram os ésteres metílicos de Óleo de Rícino, Óleo de Girassol e Óleo de Colza. O estudo mostrou que todos os líquidos investigados apresentavam viscosidade inferior ou igual à do padrão. No entanto, os resultados obtidos na sua experiência mostram que os óleos minerais apresentam melhores características neste aspecto do que os óleos vegetais. Okafor et al.8 realizaram trabalho no estudo da viscosidade de óleos vegetais como: óleo de soja com alto teor de oleico modificado (HOSO), óleo de soja com baixo teor de oleico refinado (LOSO), óleo de acculube LB2000 (LB2000) em comparação com emulsão à base de óleo mineral. fluido de corte (EC). Os resultados mostram que a viscosidade de todos os óleos vegetais diminui exponencialmente com a temperatura e é significativamente superior à do óleo mineral (CE). Para o ponto de combustão e o ponto de fulgor, existem características importantes de um isolante líquido. Esses dados são ainda mais importantes quando o isolamento for utilizado em um ambiente com alta concentração térmica, como um transformador de potência. O conhecimento deste parâmetro em óleos vegetais é importante para prever o estresse térmico máximo a ser imposto ao isolamento sem risco de inflamação. Estas características representam alguns dos pontos fortes do isolamento líquido à base de óleo vegetal em comparação com os óleos minerais. Subburaj et al.9 demonstraram que os óleos vegetais investigados apresentaram ponto de fulgor e ponto de combustão 111% superiores ao limite inferior recomendado pela norma ASTM D92, em comparação com 50% para o óleo mineral. Para tensão de ruptura, Tenbohlen e Koch5 estudaram a tensão de ruptura do óleo vegetal High Oleic 90 Sunflower Oil em comparação com o éster sintético Midel 7131, o éster natural Envirotemp FR3 e o óleo mineral inibido Nynas Nytro 3000X. O seu trabalho mostra que a tensão de ruptura dos óleos vegetais é muito superior à do óleo mineral. Resultado semelhante foi demonstrado por Bertrand e Hoang7 que investigaram a tensão de ruptura de óleos vegetais como: óleo de mamona, óleo de colza e óleo de girassol. Em trabalho anterior realizamos uma análise de resolução de fase na propagação de descargas parciais no éster metílico do óleo de palmiste em comparação com o óleo mineral . Concluiu-se que o óleo vegetal apresentou melhor capacidade de retardar a atividade das descargas parciais.